基于自适应调节机制的网络虚拟实验平台

张　里，汪　波，曾　雯，杨小会

(重庆理工大学　电子信息与自动化学院，重庆　400054)



基于自适应调节机制的网络虚拟实验平台

张里，汪波，曾雯，杨小会

(重庆理工大学电子信息与自动化学院，重庆400054)

介绍了网络虚拟实验平台的组成，对虚拟实验区进行了4个层次的划分，提出了一种网络虚拟实验的自适应调节机制。该平台既能实时采集当前学生虚拟实验的信息，又能对学习结果进行评估，还能根据评估数据，对实验难易度做出相应调节，以便学生更好地掌握实验知识点和实验技能；同时，老师能及时掌握学生实际情况。为虚拟实验教学提供了一个新的研究方向。

网络平台；虚拟实验；自适应调节机制

传统实验容易受实验设备、实验环境(如低温、高压)等因素限制，部分实验内容常因此无法开展。网络虚拟实验平台能弥补这一缺陷。在计算机上进行的虚拟实验操作可以不受场地、环境的影响，给学生提供更多动手操作的机会进而获得传统实验无法获得的实验感知[1-3]。网络虚拟实验平台具有交互性和开放性，能给使用者提供足够的思考空间[4-6]；能够实现远程交流和网络资源共享，不受时域和地域的影响，为各高校教师提供交流教学经验、共享教学资源的活动平台；学生在下载教学课件和实验要求等文件的同时，可以发表实验心得体会，从而调动学习积极性，提高学习效率；来自不同地区的学生可以通过实验平台相互交流讨论，共同进步。网络虚拟实验平台在我国已经运用于实践，实践效果十分理想。

1　网络虚拟实验平台的组成

网络虚拟实验平台是以计算机为控制中心，利用软件技术构建系统的逻辑结构模型，协调相关硬件设备技术及自适应调节机制形成的虚拟实验综合系统[7-8]。自适应机制是一个能够对学生的实验数据进行分析，给出评分，最后提出合理的实验建议的调节机制。它不仅可以对学生的学习进行正确的引导，培养学生自主创新意识，还有助于老师掌握学生最新的学习情况。

我校网络虚拟实验平台结构如图1，主要面向工科和部分理科学生，学生可登录网络虚拟实验平台，在教学资源区、虚拟实验区、用户交流区中调用所需资料或进行虚拟实验。

1.1教学资源区

教学资源区包括基础元件模块、任务发布模块、资源共享模块3大部分内容，为学生学习提供了大量资料和交流空间，营造了良好的基础学习环境。

图1　网络虚拟实验平台结构

1.1.1基础模块

模块旨在帮助学生认识常用的仪器和元件，含大量的基础知识，为学生能更好地进行实验提供了保障。本校电子学院虚拟实验平台中的基础元件模块包含了大约300GB的内容，有以下4个方面内容。

1)元件识别：包含对电阻、电容、电位器、电感、二极管和三极管的型号和参数的学习资料，各类芯片(如TI系列运放，比较器)的使用手册，典型电路。

2)仪器认识：包含信号发生器、示波器、频谱分析仪、电源、万用表等的使用手册、维修手册和使用注意事项。

3)常规实验设备：包含常规基础实验设备和专业实验设备的使用方法，每个实验项目的内容、步骤，需要借助哪些实验设备和具体实现方法。

4)精品软件：仿真软件(如Multisim、Proteus、Tina-ti)、制板软件(如Altiumdesigner)、单片机设计软件(如Keil)等，包含使用教程、视频资料等。

1.1.2任务发布模块

为帮助学生巩固实验知识，任务发布模块分为课内实验任务和课外拓展任务。教师在该模块中发布任务，学生根据自身学习情况，选择相对应的实验任务进行自主练习。完成实验并达到一定的分值后，学生可以选择课外拓展任务进行深入研究，增强自身的实验素养。学生单次可接多个实验任务，若在多任务限期内完成任务，评估系数和分值相应提高，可继续进行下一步任务；反之扣除相应评估系数和分值，重新完成同级别任务后才能接下个任务。

1.1.3资源共享

本模块主要为教师上传的各类实验项目的课件、视频资料和实验的注意事项等；同时，学生也可参与分享，比如实验相关的软件、已完成实验的原始数据，供其他使用者参考。每年教师和学生发布数超过600人次，分享数据大小超过10GB。

1.2虚拟实验区

虚拟实验区分为演示实验、基础实验、综合实验和自主设计实验，学生根据实验的难易程度选择实验区域，初次登录或实验分值不够的学生只能选择演示实验区或基础实验区。

1.2.1演示实验

演示实验是面向初学者，以网络虚拟实验平台的演示为主，对实验仪器、元件参数以及本实验系统进行初步的介绍。在演示实验中，初学者通过接触一些较简单的实验，了解各元器件的使用规范，从而获取实验体验和知识，培养对网络虚拟实验的兴趣，为初学者打下一定的虚拟实验基础。

1.2.2基础实验

基础实验是在学生对实验的规范性有了一定认识后进行的实验，是实验区内的核心部分，要求学生对本阶段实验过程清晰明了、熟记于心，把握实验细节，熟悉实验要领。为了帮助学生的学习，本阶段实验设有一个题量极大的题库。题库内的内容来自实验过程中的细节以及实践中遇到的问题等。

基础实验旨在提高学生对知识的掌握程度，提高学生的实验正确率。在这个阶段，系统会根据学生的正确率不断地调整实验的难易程度，进行反复的练习，指导学生熟练掌握实验的知识，为综合实验奠定基础。

1.2.3综合实验

综合实验是以提高学生能力为出发点设计的一系列实验库，包括了各学科的相关实验，旨在加强学生的综合实验能力，培养和提高学生的工程设计能力与实际动手能力，独立完成大型综合设计实验项目，分清理想模型与实际物体差异。本阶段实验不但有效地衔接了基础实验中的内容，而且进一步加深难度，循序渐进地提高学生的能力；同时极大程度地体现了资源的通用性，并将不同领域之间的实验差异进行一致性的约束。这样不仅有利于不同领域之间的资源共享和技术交流，而且避免了资源的重复开发和浪费。

学生可根据兴趣选择不同方向、不同专业领域的综合实验，如电子专业学生通常选择微机原理模拟软件实验和虚拟软件实验，而计算机专业学生则选择计算机控制技术虚拟实验。学生根据实验指定的要求限时完成；完成度越高，获得分数越高。分值较高的可提前进入自主设计实验；同时，该学生信息将记录在评价系统的推优模块中，以便老师选拔优秀学生。

1.2.4自主设计实验

自主设计实验培养学生的独立设计开发能力，给学生提供一个自主设计和创新实践的检验和展示平台。学生在本阶段根据自己的想法自主设计实验，调试达到自己预期的效果；老师再对该实验进行评估。学生还可以在原有实验基础上进行新方案论证，自行改良或设计实验，并进行验证和实现。随着实验知识和技能不断提高，学生还可以参与或独立设计实验项目。

学生在完成自设计实验的虚拟实验后，可以提交申请，找同学组成团队，将虚拟实验的实验成品实物制作出来；这样既可以培养学生的动手能力，也可以使学生将理论知识和实际操作相结合，提高学生对实验知识的掌握和运用程度。

1.3用户交流区

用户交流区分为用户模块和交流模块，具体结构如图2。

图2　用户交流区结构

用户模块包括教师、学生、管理者3个部分，包含用户的个人信息、实验进度和教学通知等资料。学生在用户模块向老师提交实验作业，教师在用户模块通过管理者对学生的实验进行人工操控；教师根据学生的学习进度不同和任务类别，进行针对性的指导和培训。

交流模块是一个学生、老师之间的交流平台。在这个平台上，学生提出疑问或者自己认为有价值的问题，本平台的其他用户都可以参与讨论；同时学生也可以写实验日志，发表实验的心得体会。

2　自适应调节机制在虚拟实验平台中的实现过程

自适应调节机制包含评价机制与自适应调节机制，通过跟踪学生的整个实验进程，采集操作正确率和反应延时等反馈数据，自动分析学生学习广度、深度及响应频率[9-10]；同时，了解学生学习状态，适度调整实验难易度和实施进程，以与学生学习状态和能力相适应。操作正确率指学生在虚拟实验中单次正确操作的有效百分比，反映了学生的能力及对知识掌握程度；反应延时指学生思考时间的长短，通常表现为鼠标停留时间和鼠标确认点击的时间间隔。

评价机制采集当前教学目标和当前学生学习进展的信息，对学生技能层级及学习结果做出分数判定，对学生操作过程做出评估，从而确定实验难易度的起点；发现学生已具备的知识技能和实践能力，进行信息整合，最终反馈到系统中。自适应调节机制主要根据学生的实验成绩进行信息反馈，占虚拟实验主导地位，并全面跟踪学生在虚拟实验平台的实验学习，通过对实验数据的分析来评定学生每一阶段的学习情况，并给出适合学生的学习计划。若学生正确率达标，则进入更难的实验项目；若学生失误率较高， 则停留在较容易的实验项目。

在自适应调节机制下，网络虚拟实验平台各层次得到充分利用与实现，各实验模块之间层次递进且相互关联，如图3所示。

图3　自适应调节机制与各实验层次的数据关联

1)演示实验模块：预习单元为强制必做部分。学生必须完成所有演示实验相关操作；系统将采集学生规范操作正确率，并给出正确操作过程；学生反复操作，达标后可进入基础实验模块。

2)基础实验模块：基础单元为基础核心部分。给定实验基本原理、内容、步骤及实现方法，让学生了解实验目的和要求；分析学生实验数据正确率和完成时间，了解学生掌握知识点情况；调节机制提出改进意见和指导建议，提高学生低层次实验技能；达标后可进入综合实验模块。

3)综合实验模块：应用设计单元为巩固提高部分。学生可选兴趣区域或专业区域；评价机制根据前期记录数据，分析学生对已学知识理解能力和应用程度；根据学生完成正确率，调节机制自动增加或减少实验难度，或终止实验。老师也能获取完成情况，及时加以指导。

4)自主设计实验模块：能力提升单元为精英选拔部分。独立完成或团队实施，自主改良或设计实验项目，学生完成后提交系统；老师在评价系统中，根据该设计难易系数和完成情况，给出指导或改进意见，以便学生完善该实验项目。学生在该模块中获得分数超过优秀指标后，系统自动将学生资料发送到竞赛后备人才库中。

在上述4个模块中， 自适应调节机制制定的学习计划是依靠对实验数据的分析得到。学生可以选择加深学习任务，也可以对本难度实验中未掌握的知识进行巩固和强化；教师则结合自适应调节机制的数据和学生的兴趣因材施教、扬长避短，将每一个学生的优势发挥到最大，让学生实践能力得到显著提高。

3　实践教学效果

网络虚拟实验平台的实施得到了学校广大师生的大力支持，进入虚拟实验平台的学生逐年增多，尤其以本科二三年级学生为主，在虚拟实验平台的实验过程中，综合创新实验能力得到了提高。部分学生进入了电子设计竞赛团队，在全国大学生电子设计竞赛和“挑战杯”等赛事中，获得全国一等奖1项，全国二等奖2项，重庆市级奖励10余项。

4　结束语

基于自适应调节机制的网络虚拟实验平台，不仅营造了一种轻松的学习氛围，使每一个学生都有亲自进行实验的机会，提高学生的实践和自主设计能力；而且通过采集当前学生学习进展的信息，对学生技能层级及学习结果做出专业评估；同时也能让老师及时掌握学生学习情况，实时加以指导，大大增强教学互通性；既培养了学生的设计能力，又培养了学生的团队创新能力，为专业理论奠定坚实基础，切合了网络共享精神，为高校实验教学提供了一个新的方向。

[1]杜一宁.虚拟实验的研究现状以及在教学中的意义[J].浙江海洋学院学报(自然科学版)， 2010，29(4)：390-393.

[2] 邓红，周宝玲.MOOC对我国当代高等教育变革与发展的启示[J].高等理科教育，2016(2)：7-11.

[3] 杨雪，庄泽林，吴泊晓.学生在虚拟和真实实验中的心理差距研究[J].现代教育技术，2012(7)：118-121.

[4] 李伟光，许苏宜，蔡永红，等.虚拟实验及其在学科教学中的应用与研究进展[J].开封教育学院学报，2011，31(4)：79-81.

[5] 管雪梅，戴天虹，王铁滨.高校虚拟实验平台的设计及教学应用研究[J].哈尔滨师范大学自然科学学报.2015，31(1)：88-90.

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[10] 王瑞锦，周世杰，秦志光，等.基于虚拟化技术的信息安全实验教学体系建设[J].实验科学与技术，2015，13(4)：40-43.

Network Virtual Experiment Platform Based on Adaptive Adjustment Mechanism

ZHANG Li，WANG Bo，ZENG Wen，YANG Xiaohui

(CollegeofElectronicandAutomation，ChongqingUniversityofTechnology，Chongqing400054，China)

Thispaperintroducesthecompositionofthenetworkvirtualexperimentplatformandthedivisionofthefourlevelsofvirtualexperimentationarea，andproposesanewself-adaptiveadjustmentmechanismofnetworkvirtualexperiment.Thismechanismcannotonlycollectreal-timeinformationofthestudentsinthevirtualexperiment，butalsoevaluatetheresultsofthestudy.Itcanbebasedontheevaluationdatatoadjustdegreeofdifficulty，sothatstudentscancompletetheexperimentbetterandmastertheexperimentalknowledgeandexperimentalskills，andteacherscanalsotimelygrasptheactualsituationofthestudents.Self-adaptiveadjustmentmechanismprovidesanewresearchdirectionforthevirtualexperimentteaching.

networkplatform；virtualexperiment；self-adaptiveadjustmentmechanism

2015-09-21；修改日期: 2016-05-15

重庆市教委高等教育教学改革项目(142004)；重庆市高等教育学会高等教育科学研究项目(CQGJ15191C)；重庆市高等教育教学改革研究项目(153114)；重庆市理工大学高等教育教学改革项目(2015YB10)。

张里(1979-)，男，硕士，实验师，主要从事电子信息与测试技术的研究。

TP391.9；G642.423

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.026